OS-12：I/O Systems

介绍I/O系统的相关概念。

Overview

Ports, buses, and device controllers connect to various devices and peripherals.

设备类型: Storage, Transmission, and Human-Computer Interface

端口是设备连接点；总线用于设备间数据传输，常见的有 PCI 总线、PCI Express（PCIe）等；控制器负责操作端口、总线和设备，部分集成，部分为独立电路板。

A Typical PC Bus Structure

有特殊 I/O 指令和内存映射 I/O 两种方式。数据传输控制方式包括轮询和中断，轮询适用于快速设备，中断可提高效率。直接内存访问（DMA）用于大数据传输，可绕过 CPU 直接在 I/O 设备和内存间传输数据。

I/O 系统调用将设备行为封装为通用类，让应用程序能以统一方式访问不同设备。设备驱动层则对内核隐藏了 I/O 控制器的差异。

aspect	variation	example
data-transfer mode	character block	terminal disk
access method	sequential random	modem CD-ROM
transfer schedule	synchronous asynchronous	tape keyboard
sharing	dedicated sharable	tape keyboard
device speed	latency seek time transfer rate delay between operations
I/O direction	read only write only read-write	CD-ROM graphics controller disk

操作系统会对 I/O 设备进行分类：

块 I/O 设备如磁盘驱动器，以数据块为单位进行数据传输和存储，支持诸如读取、写入、寻道等操作，还能实现原始 I/O、直接 I/O 或文件系统访问，并且内存映射文件访问可基于块设备驱动实现。- 字符 I/O 设备包含键盘、鼠标、串口等，以字符流的形式传输数据，相关命令有 get ()、put () ，通过上层库可实现行编辑功能。
内存映射文件访问，能将文件映射到虚拟内存，通过按需分页获取数据块。
网络套接字用于网络通信，其性能与块设备和字符设备不同，拥有独立的接口，常见于 Linux、Unix、Windows 等操作系统，通过 socket 接口实现网络协议与网络操作的分离，并包含 select () 函数，用于返回哪些套接字有数据包等待或有空间接受新数据包